控制系统计算机仿真第一章绪论课件

第一章：

绪 论

第一章：

绪 论

21、课程简介基础知识自动控制原理(拉氏变换与拉氏反变换)现代控制理论(状态空间方程)计算机控制技术(采样系统结构、Z变换、Z反变换等)Matlab基础知识(M语言编程、Simulink仿真)21、课程简介31、课程简介课程安排总课时量：32学时课堂教学：26学时实验教学：6学时参考书籍《控制系统计算机仿真》 蒋珉 电子工业出版社

《控制系统仿真》 郑恩让、聂诗良

中国林业出版社成绩计算卷面成绩(60%)+实验成绩(20%)+平时成绩(20%)31、课程简介课程安排2、课程目的课程学习目的仅能对简单系统仿真是不够的，能够仿真复杂系统掌握哪些方法可用于系统仿真理解不同仿真方法之间精度和快速性的区别掌握提高仿真方法精度和快速性的途径42、课程目的课程学习目的43、仿真的概念什么是仿真

仿真过程，就是建立实际系统的模型、并在模型的基础上对系统进行试验的过程。也就是说，仿真不是直接在系统上进行试验，而是通过模型间接地对系统进行研究的过程。

研发一种新药使用小白鼠进行临床试验

改进药物配方

进行病理分析投放市场，病人使用53、仿真的概念什么是仿真53、仿真的概念仿真实例造船时(航空母舰)，先按一定比例建造船模，然后放在水中进行测试；在计算机上，使用Matlab软件，模拟倒立摆及其控制系统，对控制器进行改进、研究；通过数学模型，研究甲型H1N1流感病毒、Internet中计算机病毒的传播、蔓延趋势；使用计算机模拟金融市场的运行(金融衍生品)；63、仿真的概念仿真实例63、仿真的概念仿真的必要性在建立实际系统时，如果存在危险因素或难以实现，必须对系统进行仿真验证。例如，导弹、宇航、核反应堆等系统，如果不经过仿真验证就直接实施，可能存在极大的危险。这时，人们需要建立实际系统的物理模型或数学模型进行研究，然后把研究结果应用到实际系统中去。

仿真是非常必要、甚至是必不可少的一门科学73、仿真的概念仿真的必要性73、仿真的概念仿真的应用场景系统处于设计阶段，并没有真正建立起来。不具备试验条件，不可能在真实系统上进行试验；直接在实际系统上做试验会造成破坏性后果。例如，反应釜或精馏塔控制系统中，改变某一参数，可能导致一炉成品报废；在宏观经济调控时，随意把一个决策付之行动，可能引起市场混乱(“四拍”决策)；在实际系统上做多次试验时，很难保证每一次的操作条件都相同，因而无法对试验结果的优劣作出正确的判断与评价；试验时间太长，或试验费用太高，或试验有危险；83、仿真的概念仿真的应用场景83、仿真的概念仿真的优点“经济、安全、方便、灵活、高效”。例如，在新型飞机的研制过程中，单次飞行成本约美元，采用仿真技术后仅需原成本的1/10~1/5。英法联合研制的“协和号”飞机，由于采用了仿真技术，使研制周期缩短了1/8~1/6，设计费用降低了15%~25%。(SolidWorks,ProE)应用愈来愈广泛。逐步发展到了电力、冶金、机械等一些主要工业部门，现在进一步扩大到了生态系统、石油化工等行业；93、仿真的概念仿真的优点93、仿真的概念物理模型&数学模型什么是模型：模型，是对系统的特征和变化规律的一种定量抽象模型的分类：

物理模型

数学模型物理模型：依据“相似原理”，将真实系统放大或缩小制成的山寨版；

例如：飞行器设计中的“风洞”实验，模拟各种飞行环境；

优点：效果逼真，精度很高；

局限性：造价高昂，只适用于一些特殊场合；103、仿真的概念物理模型&数学模型103、仿真的概念113、仿真的概念113、仿真的概念物理模型&数学模型数学模型：用数学符号描述系统运动变化规律的数学表达式；数学模型分类：

静态模型：仅能表示系统处于平衡状态下的变量关系

动态模型：描述系统变量随时间的变化规律12模型类型静态模型动态模型连续模型离散模型数学描述代数方程1、微分方程2、传递函数3、连续状态空间方程1、差分方程2、脉冲传递函数3、离散状态空间方程思考：什么叫传递函数，什么叫脉冲传递函数？3、仿真的概念物理模型&数学模型12模型类型静态模型动态3、仿真的概念物理模型&数学模型注意：无论静态数学模型还是动态数学模型都要求具有抽象性(去粗取精、去伪存真)，同时在计算机上仿真还要求具有递归性；数学模型的优点：具有经济、方便、模型参数易修改等特点，已经得到越来越多的应用；数学模型的缺点：受不同的计算机软、硬件档次限制，在计算容量、仿真速度和精度等方面存在不同的差别；133、仿真的概念物理模型&数学模型133、仿真的概念物理仿真&数学仿真早期的仿真大多采用物理仿真，因为系统比较简单，容易构成仿真系统；随着科学技术的发展，自动控制系统日益复杂，采用物理仿真难度较大；与此同时，数值分析的推广、现代控制理论的崛起和计算机的发展，使数学仿真得到了广泛应用；(工具的重要性)数学仿真就是通过一定途径，对系统的数学模型进行仿真实验。通常使用计算机作为工具，因此也称为计算机仿真；143、仿真的概念物理仿真&数学仿真143、仿真的概念解析解&数值解解析解：(AnalyticalSolution)，使用解析法得到的系统解的形式。解析解给出解的具体函数形式，通过解的表达式可以计算出任何时刻的值。是应用数学推导、演绎的方法得到的解；

注：解析法能够得到关于问题的一般性答案(微分方程的通解+特解)数值解：(NumericalSolution)，使用仿真法得到系统解的形式。数值解是在特定条件下通过近似计算得出来的一个数值；

注：仿真法的每一次运行只能得到在特定条件下的数值解153、仿真的概念解析解&数值解153、仿真的概念解析解&数值解假设某系统的数学模型如下：16解析解：数值解：一般以表格或图形的形式给出t00.10.20.3…1.0数值解10.90.8190.7519…0.4627810解析解10.90910.83330.7692…0.53、仿真的概念解析解&数值解16解析解：数值解：一般以表3、仿真的概念解析法&仿真法的比较采用仿真法研究系统时，为了掌握某一参数对系统性能的影响，需要在不同条件下反复试验才能得出结论，而且这个结论往往是不全面的。从这个方面说，解析法优于仿真法；但是，使用解析法求解时，要求数学模型不能太复杂，阶次不能太高。需要尽可能简化模型，而模型的过度简化则可能丧失其实际意义；实际系统大多是非线性、分布参数或高阶的复杂系统，其数学模型无法用解析法求解。从这个方面说，仿真法优于解析法；173、仿真的概念解析法&仿真法的比较173、仿真的概念控制系统仿真的三要素三要素：系统(研究的对象)、模型(系统的抽象)、计算机(工具与手段)18模型计算机系统建模仿真实验系统解析法建模辨识法建模综合法建模分析、验证3、仿真的概念控制系统仿真的三要素18模型计算机系统建模仿真3、仿真的概念控制系统建模模型的重要性：控制系统的计算机仿真是以“数学模型”为基础的，系统建模的过程至关重要，决定了系统仿真的成败；建模方法

解析法：根据系统各变量所遵循的物理、化学基本定律，列写变量间的数学表达式，建立系统的数学模型。

牛顿运动定律、基尔霍夫定律、动力学定律

辨识法：对于复杂的控制系统，必须通过实验，利用系统辨识技术，得到数学模型。

综合法：解析法和辨识法相结合的一种建模方法。193、仿真的概念控制系统建模193、仿真的概念20仿真步骤建立模型仿真实验结果分析3、仿真的概念20仿真步骤建立模型仿真实验结果分析4、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真21r(t)弹簧质量阻尼器y(t)外力r(t)是系统的输入量，质量块的位移y(t)是系统的输出量。当质量m=1，弹簧的刚性系数k=4时，试确定为了使系统在阶跃响应时不发生振荡，阻尼系数f的取值范围。思考：如何为系统加上阶跃信号和脉冲信号？4、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真21r(t)弹簧质量阻尼4、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真根据牛顿运动定律，描述质量-弹簧-阻尼系统的数学模型如下：也可用状态空间方程作为系统的数学模型：22思考：系统的传递函数是什么？4、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真22思考：系统的传递函数4、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真将数学模型转化为仿真模型：离散化，将连续状态空间方程转化为离散状态空间方程，便于计算机迭代求解；23注意：在后续课程中将讲述数学模型之间的转换方法。4、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真23注意：在后续课程中将4、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真编写仿真程序244、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真244、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真编写仿真程序25在此使用Simulink进行仿真研究。使用较为简单的传递函数形式：4、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真25在此使用Simuli4、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真仿真实验，f=5,2,3和3.5264、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真264、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真仿真结果分析27对于f∈[2,5]，反复进行试验，可以得出f≈3.5为临界值。当f>3.5时，系统不会出现振荡现象4、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真27对于f∈[2,5]5、仿真技术的应用常用的仿真软件Multisim、ElectronicsWorkbench、PSPICE：系统级的电路仿真软件；MATLAB：具有强大的数值计算能力，包含各种工具箱；Simulink：是MATLAB附带的基于图形组态的动态仿真环境(用于控制、电力、金融等系统的仿真)；Labview：虚拟仪器设计软件；Proteus：单片机系统开发仿真软件；285、仿真技术的应用常用的仿真软件286、仿真技术的发展发展趋势向广阔的时空发展：以现代复杂军事系统为例，涉及：战略、战术、技术决策系统，指挥、通信、运输系统，武器和运载系统，地面与空间各军兵种协同作战系统等，均可通过仿真予以模拟；向快速、高效与海量信息通道发展：对大型复杂系统、分布系统、综合系统进行实时仿真，由于信息量庞大，必须对信息进行快速传输、变换和处理，因此，全数字并行仿真计算机系统将会有长足发展；向规范化模型验证技术发展：如果没有规范化模型验证，将无法评价模型的正确性和置信度，仿真的精度和可靠性将无法保证；296、仿真技术的发展发展趋势296、仿真技术的发展发展趋势向虚拟现实技术发展：为用户提供视觉、听觉、嗅觉和触觉的逼真的仿真系统，使人如同身临其境；向一体化、智能化仿真环境发展：开展系统仿真科学研究，需要一体化、智能化仿真环境；向社会生活中各种应用领域扩展、并与其他学科融合：在非工程或混合工程系统中，仿真技术的应用将会迅速增长；306、仿真技术的发展发展趋势307、小结小结系统是被研究的对象，模型是对系统的抽象描述，仿真是通过模型研究系统的一种工具或手段；模型是对系统的一种客观写照，反应系统的主要特征。模型可以分为物理模型和数学模型；数学模型又可以分为动态模型和静态模型；仿真主要分为三个步骤：建立模型、仿真实验、结果分析；317、小结小结31第一章：

绪 论

第一章：

绪 论

331、课程简介基础知识自动控制原理(拉氏变换与拉氏反变换)现代控制理论(状态空间方程)计算机控制技术(采样系统结构、Z变换、Z反变换等)Matlab基础知识(M语言编程、Simulink仿真)21、课程简介341、课程简介课程安排总课时量：32学时课堂教学：26学时实验教学：6学时参考书籍《控制系统计算机仿真》 蒋珉 电子工业出版社

《控制系统仿真》 郑恩让、聂诗良

中国林业出版社成绩计算卷面成绩(60%)+实验成绩(20%)+平时成绩(20%)31、课程简介课程安排2、课程目的课程学习目的仅能对简单系统仿真是不够的，能够仿真复杂系统掌握哪些方法可用于系统仿真理解不同仿真方法之间精度和快速性的区别掌握提高仿真方法精度和快速性的途径352、课程目的课程学习目的43、仿真的概念什么是仿真

仿真过程，就是建立实际系统的模型、并在模型的基础上对系统进行试验的过程。也就是说，仿真不是直接在系统上进行试验，而是通过模型间接地对系统进行研究的过程。

研发一种新药使用小白鼠进行临床试验

改进药物配方

进行病理分析投放市场，病人使用363、仿真的概念什么是仿真53、仿真的概念仿真实例造船时(航空母舰)，先按一定比例建造船模，然后放在水中进行测试；在计算机上，使用Matlab软件，模拟倒立摆及其控制系统，对控制器进行改进、研究；通过数学模型，研究甲型H1N1流感病毒、Internet中计算机病毒的传播、蔓延趋势；使用计算机模拟金融市场的运行(金融衍生品)；373、仿真的概念仿真实例63、仿真的概念仿真的必要性在建立实际系统时，如果存在危险因素或难以实现，必须对系统进行仿真验证。例如，导弹、宇航、核反应堆等系统，如果不经过仿真验证就直接实施，可能存在极大的危险。这时，人们需要建立实际系统的物理模型或数学模型进行研究，然后把研究结果应用到实际系统中去。

仿真是非常必要、甚至是必不可少的一门科学383、仿真的概念仿真的必要性73、仿真的概念仿真的应用场景系统处于设计阶段，并没有真正建立起来。不具备试验条件，不可能在真实系统上进行试验；直接在实际系统上做试验会造成破坏性后果。例如，反应釜或精馏塔控制系统中，改变某一参数，可能导致一炉成品报废；在宏观经济调控时，随意把一个决策付之行动，可能引起市场混乱(“四拍”决策)；在实际系统上做多次试验时，很难保证每一次的操作条件都相同，因而无法对试验结果的优劣作出正确的判断与评价；试验时间太长，或试验费用太高，或试验有危险；393、仿真的概念仿真的应用场景83、仿真的概念仿真的优点“经济、安全、方便、灵活、高效”。例如，在新型飞机的研制过程中，单次飞行成本约美元，采用仿真技术后仅需原成本的1/10~1/5。英法联合研制的“协和号”飞机，由于采用了仿真技术，使研制周期缩短了1/8~1/6，设计费用降低了15%~25%。(SolidWorks,ProE)应用愈来愈广泛。逐步发展到了电力、冶金、机械等一些主要工业部门，现在进一步扩大到了生态系统、石油化工等行业；403、仿真的概念仿真的优点93、仿真的概念物理模型&数学模型什么是模型：模型，是对系统的特征和变化规律的一种定量抽象模型的分类：

物理模型

数学模型物理模型：依据“相似原理”，将真实系统放大或缩小制成的山寨版；

例如：飞行器设计中的“风洞”实验，模拟各种飞行环境；

优点：效果逼真，精度很高；

局限性：造价高昂，只适用于一些特殊场合；413、仿真的概念物理模型&数学模型103、仿真的概念423、仿真的概念113、仿真的概念物理模型&数学模型数学模型：用数学符号描述系统运动变化规律的数学表达式；数学模型分类：

静态模型：仅能表示系统处于平衡状态下的变量关系

动态模型：描述系统变量随时间的变化规律43模型类型静态模型动态模型连续模型离散模型数学描述代数方程1、微分方程2、传递函数3、连续状态空间方程1、差分方程2、脉冲传递函数3、离散状态空间方程思考：什么叫传递函数，什么叫脉冲传递函数？3、仿真的概念物理模型&数学模型12模型类型静态模型动态3、仿真的概念物理模型&数学模型注意：无论静态数学模型还是动态数学模型都要求具有抽象性(去粗取精、去伪存真)，同时在计算机上仿真还要求具有递归性；数学模型的优点：具有经济、方便、模型参数易修改等特点，已经得到越来越多的应用；数学模型的缺点：受不同的计算机软、硬件档次限制，在计算容量、仿真速度和精度等方面存在不同的差别；443、仿真的概念物理模型&数学模型133、仿真的概念物理仿真&数学仿真早期的仿真大多采用物理仿真，因为系统比较简单，容易构成仿真系统；随着科学技术的发展，自动控制系统日益复杂，采用物理仿真难度较大；与此同时，数值分析的推广、现代控制理论的崛起和计算机的发展，使数学仿真得到了广泛应用；(工具的重要性)数学仿真就是通过一定途径，对系统的数学模型进行仿真实验。通常使用计算机作为工具，因此也称为计算机仿真；453、仿真的概念物理仿真&数学仿真143、仿真的概念解析解&数值解解析解：(AnalyticalSolution)，使用解析法得到的系统解的形式。解析解给出解的具体函数形式，通过解的表达式可以计算出任何时刻的值。是应用数学推导、演绎的方法得到的解；

注：解析法能够得到关于问题的一般性答案(微分方程的通解+特解)数值解：(NumericalSolution)，使用仿真法得到系统解的形式。数值解是在特定条件下通过近似计算得出来的一个数值；

注：仿真法的每一次运行只能得到在特定条件下的数值解463、仿真的概念解析解&数值解153、仿真的概念解析解&数值解假设某系统的数学模型如下：47解析解：数值解：一般以表格或图形的形式给出t00.10.20.3…1.0数值解10.90.8190.7519…0.4627810解析解10.90910.83330.7692…0.53、仿真的概念解析解&数值解16解析解：数值解：一般以表3、仿真的概念解析法&仿真法的比较采用仿真法研究系统时，为了掌握某一参数对系统性能的影响，需要在不同条件下反复试验才能得出结论，而且这个结论往往是不全面的。从这个方面说，解析法优于仿真法；但是，使用解析法求解时，要求数学模型不能太复杂，阶次不能太高。需要尽可能简化模型，而模型的过度简化则可能丧失其实际意义；实际系统大多是非线性、分布参数或高阶的复杂系统，其数学模型无法用解析法求解。从这个方面说，仿真法优于解析法；483、仿真的概念解析法&仿真法的比较173、仿真的概念控制系统仿真的三要素三要素：系统(研究的对象)、模型(系统的抽象)、计算机(工具与手段)49模型计算机系统建模仿真实验系统解析法建模辨识法建模综合法建模分析、验证3、仿真的概念控制系统仿真的三要素18模型计算机系统建模仿真3、仿真的概念控制系统建模模型的重要性：控制系统的计算机仿真是以“数学模型”为基础的，系统建模的过程至关重要，决定了系统仿真的成败；建模方法

解析法：根据系统各变量所遵循的物理、化学基本定律，列写变量间的数学表达式，建立系统的数学模型。

牛顿运动定律、基尔霍夫定律、动力学定律

辨识法：对于复杂的控制系统，必须通过实验，利用系统辨识技术，得到数学模型。

综合法：解析法和辨识法相结合的一种建模方法。503、仿真的概念控制系统建模193、仿真的概念51仿真步骤建立模型仿真实验结果分析3、仿真的概念20仿真步骤建立模型仿真实验结果分析4、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真52r(t)弹簧质量阻尼器y(t)外力r(t)是系统的输入量，质量块的位移y(t)是系统的输出量。当质量m=1，弹簧的刚性系数k=4时，试确定为了使系统在阶跃响应时不发生振荡，阻尼系数f的取值范围。思考：如何为系统加上阶跃信号和脉冲信号？4、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真21r(t)弹簧质量阻尼4、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真根据牛顿运动定律，描述质量-弹簧-阻尼系统的数学模型如下：也可用状态空间方程作为系统的数学模型：53思考：系统的传递函数是什么？4、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真22思考：系统的传递函数4、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真将数学模型转化为仿真模型：离散化，将连续状态空间方程转化为离散状态空间方程，便于计算机迭代求解；54注意：在后续课程中将讲述数学模型之间的转换方法。4、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真23注意：在后续课程中将4、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真编写仿真程序554、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真244、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统仿真编写仿真程序56在此使用Simulink进行仿真研究。使用较为简单的传递函数形式：4、仿真示例质量-弹簧-阻尼系统